一种基于无线传感器的矿井环境有害气体检测系统的制作方法

文档序号:8395017阅读:518来源:国知局
一种基于无线传感器的矿井环境有害气体检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿井环境的智能检测与控制和控制网络技术领域,具体涉及一种基于 无线传感器的矿井环境有害气体检测系统。
【背景技术】
[0002] 目前,保障煤矿生产安全,防止煤矿事故,保护煤矿职工人身安全,促进采矿业的 发展,确保井下人员足够的新鲜空气必须把有害气体和粉尘冲淡到安全浓度以下,它们包 括CO、H2S、C02、CH4等气体,因此必须测量有害气体的分布状况。
[0003]上述气体的来源于多方面,如C0在煤矿井下主要产生于煤的自然发火和坑木腐 烂以及放炮的炮烟中,在煤矿井下监测C0浓度变化趋势可作为判断煤层是否发生自然发 火的指标;急性C0中毒是吸入高浓度C0后引起以中枢神经系统损害为主的全身性疾病。 轻、中度中毒主要表现为头痛、头昏、心悸、恶心、呕吐、四肢乏力、意识模糊,甚至昏迷。二 氧化碳(C02)主要存在于煤层和煤块内,在采煤过程中与瓦斯一道排出,坑木腐烂、人员呼 吸、煤自然发火以及爆破等也可产生二氧化碳(C02),由于二氧化碳(C02)密度大,一般多 积聚于巷道低处及通风不良的废巷中,个别煤层或岩层中会出现大量二氧化碳(C02)异常 涌出现象,称为二氧化碳(C02)突出,如营城煤矿和窑街矿区曾发生二氧化碳(C02)突出事 故,二氧化碳(C02)主要经呼吸道吸入人体内,高密度时有显著毒性作用,主要是对呼吸中 枢的毒性作用。矿井中二氧化硫主要来源于含硫矿物(如黄铁矿等)的氧化和自然以及井 下爆破;二氧化硫(S02)主要是通过呼吸道吸入而产生中毒作用,其次是皮肤、粘膜的接触 吸收;硫化氢是具有臭鸡蛋气味的剧毒气体,且易燃易爆,爆炸浓度范围为4. 3%-46%。有机 物腐败时可产生硫化氢,故粪窑、污水沟、暗渠中常有硫化氢积聚,硫化氢属于化学性窒息 性气体,急性中毒时可引起肺水肿和中毒性脑病;氨是无色有恶臭气味的刺激性气体,极易 溶于水而形成氢氧化铵(氨水),也容易从水溶液中逸出。
[0004]我国某些矿井岩层中有天然氨涌出,如铁法矿区和峰峰矿区的万年矿等,低浓度 氨对眼和上呼吸道粘膜有刺激作用,吸入高浓度的NH3会引起支气管炎症及中毒性肺炎、 肺水肿;矿井空气中的氮氧化物主要产生于用硝铵炸药爆破的炮烟中,氮氧化物为刺激性 气体,较难溶于水,因而可达呼吸道深部的细支气管和肺泡,对肺组织产生强烈的刺激和腐 蚀作用,可引起支气管炎和肺水肿等;当在煤层、断层或其它裂隙、空隙处积聚了大量甲烷, 处于极高的压力状态下,具备一定条件时,会发生甲烷喷出或突出现象,分别称为瓦斯喷出 和瓦斯突出。在我国陈奎开发了基于Web的煤矿瓦斯动态采集与监控系统,提高了煤矿瓦 斯采集的网络化与数字化水平,李兵等开发了基于WSN的矿井瓦斯检测系统,杨丽等开发 了基于STC12LE5608AD的便携式瓦斯检测报警仪,这些测试方法具有可靠性低、准确性低 和实时性差等特点,它们不能准确测量出煤矿有害气体的浓度,特别是煤矿有害气体的成 分复杂,它们的形成过程复杂,因此采用单一的测量方法是不能够有效地测量出有害气体 的浓度。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是提供一种基于无线传感器的矿井环境有害气体检测系统,本发明 通过研究现有煤矿有害气体检测技术准确性低和实时性差的难题,设计一种准确性高和实 时性强的煤矿环境有害气体检测系统,该方法构造的检测系统具有结构简单、智能化程度 高、准确性能好和实时性高等优点;该检测系统可以根据煤矿检测点的实际状况把进气口 均匀分布在被检测煤矿的不同部位实现多点同时检测煤矿有害气体浓度的实际状况,并确 定矿井内每个被检测点、检测面或者整个矿井检测环境有害气体浓度的时空分布状况。
[0006] 实际生产中被检测矿井环境面积比较大,有害气体的分布状况比较复杂,传统的 单独检测一个或者几个点不能代表矿井环境有害气体的实际状况与变化趋势。因此,本检 测系统根据矿井环境规模较大的实际状况,开发了基于无线传感器网络能够多个检测点的 测量系统,该系统由多个检测单元和检测中心计算机组成,检测单元用于采集矿井环境检 测点的有害气体参数,通过该检测单元的无线通信接口上传给检测中心计算机,检测中心 计算机实现对矿井环境的有害气体的参数进行处理,实现检测点、检测面和整个检测环境 有害气体的等级进行判别等。
[0007] (1)检测单元设计:检测单元由有害气体参数采集电路、气路和通信接口单元组 成,气路和参数采集电路由矿井环境气体进气口、洁净空气进气口、进气电磁阀、排气口、排 气电磁阀、风扇和传感器阵列、温湿度传感器以及滤波电路、信号调理电路和MSP430单片 机构成;通信部分由nRF2401通信模块实现。(图1) (2) 检测中心计算机:中心计算机基于VB和Matlab软件开发数据处理软件,实现对检 测点的参数进行实时显示、趋势显示、数据存储和历史查询等;为了对被检测矿井的有害气 体状况进行识别,系统在对检测单元的数据平滑预处理后对它们进行特征值提取,把反应 气体变化趋势的最大值、稳定值和平均值的特征值输入已经训练好的多组小波神经网络辩 识器对被检测矿井环境的有害气体状况进行判别。根据《煤矿安全规程》中矿井环境有害 气体浓度的要求,由多组小波神经网络辨识器进行识别,各组网络对应5个输出端对应把 矿井环境的有害气体的状况分为5个等级:清洁、良好、合格、基本合格和有害等五级,它们 的数字特征值分别为1、2、3、4和5。(图2、图3,图5) (3)多组小波神经网络辩识器:每个检测点对应一组小波神经网络,它是由15-22-5神 经元构成的三层结构网络,输入15个神经元对应5个传感器的15个特征值,分别对应每个 传感器测量周期内测量的最大值、稳定值和平均值作为该测量点的神经网络输入,隐含层 采用22个神经元,神经元函数为基于框架的morlet小波函数,输出层采用5个神经元,输 出层神经元函数Sigmoid,对应有害气体的5个等级,对应等级神经元输出为1,其余为0 ; 多个测量点对应小波神经网络的输出通过融合系数对每个测量点的小波神经网络的输出 进行融合得到总的神经网络输出。(图3) 本发明的原理在引入了无线传感器技术、对有害气体敏感性的传感器阵列和神经网络 技术相结合,实现了对矿井环境多点有害气体状况进行同时检测,提高了检测的实时性和 准确性,在模式识别中考虑了不同高度检测点气体浓度对被检测矿井环境的影响程度不同 和多组小波神经网络技术实现了对多个检测点的信息进行融合,系统可以根据检测结果采 用相对应的有害气体的净化策略。本发明与传统的检测方法相比的优点在于: 1、实时性高 采用了基于无线传感器技术、对有害气体有高度敏感性的传感器阵列和小波神经网络 技术开发的检测装置可同时识别矿井环境的多个检测点有害气体的分布状况,采用了智能 方法对不同检测点同一时刻的数据信息进行融合,提高了检测的可靠性、准确性和实时性, 系统可对矿井环境有害气体
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